CN106315993A - 一种同步处理人粪尿的方法和微生物脱盐池 - Google Patents

一种同步处理人粪尿的方法和微生物脱盐池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种同步处理人粪尿的方法，包括如下步骤：对人尿液进行磷酸铵镁结晶预处理，得到结晶预处理液；将所述结晶预处理液和人粪经微生物脱盐池进行脱氮、除磷处理；所述磷酸铵镁结晶预处理过程中的镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为(0.9～2):1。本发明提供的方法仅需添加少量的镁离子即可完成对人类尿液中氨氮和磷酸盐的处理。根据实验结果可知，本发明提供的方法对尿液中氨氮的去除率最高可达94.4％，对磷酸盐的去除率最高可达99％。

Description

一种同步处理人粪尿的方法和微生物脱盐池
技术领域
本发明涉及人粪尿处理技术领域，特别涉及一种同步处理人粪尿的方法和微生物脱盐池。
背景技术
磷酸铵镁(Magnesium ammonium phosphate,MAP)结晶法是一种常用的人类尿液的处理方法，其主要原理为:通过向尿液中添加六水氯化镁，生成磷酸铵镁晶体，将尿液中的氨氮、磷酸盐收集去除。磷酸铵镁结晶过程的反应方程式为：
Mg2++NH4++PO4 3-+6H2O→MgNH4PO4·6H2O↓。
新鲜尿液中含有氨氮大约525mg/L，磷酸盐大约185mg/L，基本不含镁离子。而结晶生成的磷酸铵镁的分子式为MgNH4PO4，从分子式可以看出氨氮、磷酸盐和镁离子是以1:1:1的摩尔比结合的。但是，因为新鲜尿液中氨氮的含量要高于磷酸盐的含量，所以现有的磷酸铵镁结晶技术中基本都是同时添加镁离子和磷酸盐，且添加的镁离子的量是以氨氮为基准才能够使得尿液中的氨氮达到最大限度的回收，氨氮和磷酸盐回收率在90％以上。
根据现有技术方案可知，虽然磷酸铵镁结晶技术能够一定程度上回收人类尿液中的氨氮和磷酸盐，但是却需要添加大量的镁离子和磷酸盐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步处理人粪尿的方法和微生物脱盐池，本发明提供的方法仅需添加少量的镁离子即可完成对人类尿液中氨氮和磷酸盐的处理。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种同步处理人粪尿的方法，包括如下步骤：
对人尿液进行磷酸铵镁结晶预处理，得到结晶预处理液；
将所述结晶预处理液和人粪经微生物脱盐池进行脱氮、除磷处理；
所述磷酸铵镁结晶预处理过程中的镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为(0.9～2):1。
优选的，所述微生物脱盐池包含阳极系统、阴极系统、外电路系统和处于阳极系统与阴极系统之间的脱盐系统；
所述阳极系统设置有人粪液和阳极电极；
所述阴极系统设置有磷酸盐缓冲液和阴极电极；
所述脱盐系统进水为所述结晶预处理液。
优选的，所述脱盐系统和阳极系统由阴离子交换膜分隔；
所述脱盐系统和阴极系统由阳离子交换膜分隔；
阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列将脱盐系统分隔成至少一个处理室。
优选的，所述人粪液中人粪和水的体积比为(0.8～1.5):1。
优选的，所述磷酸盐缓冲液由KH2PO4和K2HPO4·3H2O组成。
优选的，所述KH2PO4在磷酸盐缓冲液中的浓度为0.05～0.1mol/L；
所述K2HPO4·3H2O在磷酸盐缓冲液中的浓度为0.01～0.1mol/L。
优选的，所述阴极电极为镀铂量为0.1～1mg/cm2的镀铂碳纸。
优选的，所述阳极系统、阴极系统和脱盐系统的容积之比为2:2:(1～3)。
本发明还提供了一种微生物脱盐池，包括壳体、外电路以及设置在所述壳体内的阳极室、阴极室和脱盐室，所述脱盐室位于阳极室和阴极室中间；
所述脱盐室和阳极室由阴离子交换膜分隔；
所述脱盐室和阴极室由阳离子交换膜分隔；
所述阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列将脱盐室分隔成至少一个处理室；
所述阳极室中包含阳极电极；
所述阴极室中包含阴极电极；
所述阳极电极和阴极电极通过外电路连接。
优选的，所述外电路中串联了至少一个电阻。
本发明提供了一种同步处理人粪尿的方法，包括如下步骤：对人尿液进行磷酸铵镁结晶预处理，得到结晶预处理液；将所述结晶预处理液和人粪经微生物脱盐池进行脱氮、除磷处理；所述磷酸铵镁结晶预处理过程中的镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为(0.9～2):1。本发明在磷酸铵镁结晶预处理阶段添加的镁离子浓度以尿液中的磷酸根为基准，在预处理过程基本能够将尿液中的磷酸根除尽，而氨氮的去除率较低；在微生物脱盐池中所述人粪作为微生物脱盐池的燃料，利用阳极上的产电微生物氧化人粪中的有机物产生电能，在阴极电极和阳极电极之间形成电场，来推动脱盐室中磷酸根离子和氨氮的脱除。本发明提供的方法仅需添加少量的镁离子即可完成对人类尿液中氨氮和磷酸盐的处理。根据实验结果可知，本发明提供的方法对尿液中氨氮的去除率最高可达94.4％，对磷酸盐的去除率最高可达99％。
附图说明
图1为本发明实施例提供的微生物脱盐池的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种同步处理人粪尿的方法，包括如下步骤：
对人尿液进行磷酸铵镁结晶预处理，得到结晶预处理液；
将所述结晶预处理液和人粪经微生物脱盐池进行脱氮、除磷处理；
所述磷酸铵镁结晶预处理过程中的镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为(0.9～2):1。
本发明对人尿液进行磷酸铵镁结晶预处理，得到结晶预处理液。本发明对所述磷酸铵镁结晶预处理的实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的磷酸铵镁结晶法进行即可，本发明优选向待处理的尿液中添加镁离子，得到混合物体系。在本发明中，所述磷酸铵镁结晶预处理过程中的镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为(0.9～2):1，优选为(1～1.8):1，更优选为(1.3～1.5):1。本发明中镁离子的添加量以尿液中的磷酸根为基准，在预处理过程基本能够将尿液中的磷酸根除尽，而氨氮的去除率较低。本发明对所述镁离子的来源没有特殊要求，具体的可以通过氯化镁、硫酸镁或硝酸镁等含镁离子的物质进行添加。本发明优选的选择氯化镁来添加镁离子。
本发明优选调节所述混合物体系至碱性，使得所述混合物体系在碱性条件下进行磷酸铵镁结晶预处理。在本发明中，所述混合物体系的pH值优选为8～10，可具体为8、9或10。本发明优选通过碱性物质对所述混合物体系的碱性进行调节。在本发明中，所述碱性物质可具体为氢氧化钠或氢氧化钾等。
得到所述结晶预处理液后，本发明将所述结晶预处理液和人粪经微生物脱盐池进行脱氮、除磷处理。在本发明中，所述微生物脱盐池优选包含阳极系统、阴极系统、外电路系统和处于阳极系统与阴极系统之间的脱盐系统；所述脱盐系统进水为所述结晶预处理液。
在本发明中，所述阳极系统内优选设置有人粪液和阳极电极；所述人粪液包括人粪和水，所述人粪和水的体积比优选为(0.8～1.5):1，具体的可以为0.8:1、0.9:1、1.0:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1或1.5:1。本发明优选将所述人粪捣碎之后再与水进行混合，本发明对所述捣碎的程度没有特殊要求，能够使得人粪与水混合均匀即可。在本发明中，所述人粪作为微生物脱盐池的燃料，利用阳极上的产电微生物氧化人粪中的有机物产生电能，在阴极电极和阳极电极之间形成电场，来推动脱盐室中磷酸根离子和氨氮的脱除。
本发明对所述阳极电极的种类没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的阳极电极即可，具体的可以为碳毡。
在本发明中，所述阴极系统优选设置有磷酸盐缓冲液和阴极电极。在本发明中，所述磷酸盐缓冲液优选由KH2PO4和K2HPO4·3H2O组成；所述KH2PO4在磷酸盐缓冲液中的浓度优选为0.05～0.1mol/L，更优选为0.055～0.09mol/L，最优选为0.06～0.066mol/L；所述K2HPO4·3H2O在磷酸盐缓冲液中的浓度优选为0.01～0.1mol/L，更优选为0.02～0.8mol/L，最优选为0.035～0.5mol/L。
本发明对所述阴极电极的种类没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的阴极电极即可，具体的可以为镀铂碳纸。在本发明中，所述镀铂碳纸的镀铂量优选为0.1～1mg/cm2，更优选为0.2～0.8mg/cm2，最优选为0.5～0.7mg/cm2。
在本发明中，所述脱盐系统和阳极系统优选由阴离子交换膜分隔；所述脱盐系统和阴极系统优选由阳离子交换膜分隔；阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列将脱盐系统分隔成至少一个处理室。本发明对所述处理室的数量没有特殊的限定，本领域技术人员可根据实际需求进行调整。在本发明的具体实施例中，所述至少一个处理室优选为5个。本发明对所述交替排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的距离没有特殊要求，原则上任意相邻的阴离子交换膜和阳离子交换膜的距离可以为任意值，优选为0.5cm。
在本发明中，所述处理室中，磷酸盐和氨氮均往隔壁处理室运动的称为淡室，所述淡室中磷酸盐和氨氮的浓度均低于进水浓度；隔壁室中的磷酸盐和氨氮均往本室运动的称为浓室，所述浓室中磷酸盐和氨氮的浓度均高于进水浓度。
本发明对所述阳离子交换膜(CEM)的材质没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的阳离子交换膜即可。在本发明具体实施例中，所述阳离子交换膜具体的为上海上化水处理材料有限公司产的交换容量为2.0mol/kg的阳离子交换膜。
本发明对所述阴离子交换膜(AEM)的材质没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的阴离子交换膜即可。在本发明具体实施例中，所述阴离子交换膜具体的为上海上化水处理材料有限公司产的交换容量为1.8mol/kg的阴离子交换膜。
在本发明中，所述阳极系统、阴极系统和脱盐系统的容积之比优选为2:2:(1～3)，具体的可以为2:2:1、2:2:2或2:2:3。本发明对所述阳极系统、阴极系统和脱盐系统的结构尺寸没有特殊要求，能够满足上述比例关系即可。在本发明具体实施例中，所述阳极系统的尺寸为20cm×7cm×3cm，阴极系统的尺寸为20cm×7cm×3cm，所述脱盐系统的尺寸为5个×20cm×7cm×0.5cm。
在本发明中，所述脱氮、除磷处理的时间优选为5～10小时，具体的可以为5小时、6小时、7小时、8小时、9小时或10小时。
本发明还提供了一种微生物脱盐池，包括壳体、外电路以及设置在所述壳体内的阳极室、阴极室和脱盐室，所述脱盐室位于阳极室和阴极室中间；
所述脱盐室和阳极室由阴离子交换膜分隔；
所述脱盐室和阴极室由阳离子交换膜分隔；
所述阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列将脱盐室分隔成至少一个处理室；
所述阳极室中包含阳极电极；
所述阴极室中包含阴极电极；
所述阳极电极和阴极电极通过外电路连接。
在本发明中，所述外电路中串联了至少一个电阻。本发明对所述电阻的数量没有特殊的限定，本领域技术人员可根据实际需求进行调整。在本发明一个实施例中，所述至少一个电阻具体的为1个，该电阻的电阻值为5Ω。
图1为本发明实施例提供的微生物脱盐池的结构示意图。如图1所述，在本发明中，所述微生物脱盐池包括壳体、外电路以及设置在所述壳体内的阳极室、阴极室和脱盐室；其中，所述脱盐室位于阳极室和阴极室中间，所述脱盐室由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列分隔成5个处理室；所述阳极室中包含阳极电极；所述阴极室中包含阴极电极；所述阳极电极和阴极电极通过外电路连接，所述外电路串联一个电阻值为5Ω的电阻。
作为本发明一个具体的实施例，本发明按照上述体积和浓度的要求，向阳极室、阴极室和脱盐室分别通入相应体积和浓度的人粪液、磷酸盐缓冲液和结晶预处理液，本发明利用阳极上的产电微生物氧化人粪中的有机物产生电能，在阴极电极和阳极电极之间形成电场，来推动脱盐室中磷酸根离子和氨氮的脱除。
本发明提供了一种同步处理人粪尿的方法，包括如下步骤：对人尿液进行磷酸铵镁结晶预处理，得到结晶预处理液；将所述结晶预处理液和人粪经微生物脱盐池进行脱氮、除磷处理；所述磷酸铵镁结晶预处理过程中的镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为(0.9～2):1。本发明在磷酸铵镁结晶预处理阶段添加的镁离子浓度以尿液中的磷酸根为基准，在预处理过程基本能够将尿液中的磷酸根除尽，而氨氮的去除率较低；在微生物脱盐池中所述人粪作为微生物脱盐池的燃料，利用阳极上的产电微生物氧化人粪中的有机物产生电能，在阴极电极和阳极电极之间形成电场，来推动脱盐室中磷酸根离子和氨氮的脱除。本发明提供的方法仅需添加少量的镁离子即可完成对人类尿液中氨氮和磷酸盐的处理。根据实验结果可知，本发明提供的方法对尿液中氨氮的去除率最高可达94.4％，对磷酸盐的去除率最高可达99％。
下面结合实施例对本发明提供的同步处理人粪尿的方法和微生物脱盐池进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
在本发明实施例中，所述尿液为人类新鲜尿液，所述尿液的成分信息如表1所示。
表1实施例1～3中所用尿液成分信息
实施例1
以1L尿液作为实验样品，按照镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为1:1添加氯化镁，经过磷酸铵镁结晶预处理后，尿液中氨氮浓度为374.5mg/L，磷酸盐浓度为17.64mg/L，氨氮和磷酸盐的回收率分别为30％和93％。
将磷酸铵镁结晶预处理的出水进入到为微生物脱盐池的脱盐室内；将打碎的人粪与水按照1:1的体积比添加到微生物脱盐池阳极室作为燃料；将0.066mol/L的KH2PO4和0.035mol/L的K2HPO4·3H2O添加到微生物脱盐池阴极室作为缓冲液。当水力停留时间为6h时，最终脱盐室淡室的出水中氨氮和磷酸盐的浓度分别为37mg/L和2.6mg/L，对应的回收率分别为93％和99％，微生物脱盐池一天的产电量大约为4×10-6度。
实施例2
以1L尿液作为实验样品，按照镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为1.3:1添加氯化镁，经过磷酸铵镁结晶预处理后，尿液中氨氮浓度为363.8mg/L，磷酸盐浓度为12.6mg/L，氨氮和磷酸盐的回收率分别为32％和95％。
将磷酸铵镁结晶预处理的出水进入到为微生物脱盐池的脱盐室内；将打碎的人粪与水按照0.9:1的体积比添加到微生物脱盐池阳极室作为燃料；将0.036mol/L的KH2PO4和0.025mol/L的K2HPO4·3H2O添加到微生物脱盐池阴极室作为缓冲液。当水力停留时间为6h时，最终脱盐室淡室的出水中氨氮和磷酸盐的浓度分别为30mg/L和2.2mg/L，对应的回收率分别为94.4％和99％，微生物脱盐池一天的产电量大约为4×10-6度。
实施例3
以1L尿液作为实验样品，按照镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为1.5:1添加氯化镁，经过磷酸铵镁结晶预处理后，尿液中氨氮浓度为374.5mg/L，磷酸盐浓度为17.64mg/L，氨氮和磷酸盐的回收率分别为30％和93％。
将磷酸铵镁结晶预处理的出水进入到为微生物脱盐池的脱盐室内；将打碎的人粪与水按照1.1:1的体积比添加到微生物脱盐池阳极室作为燃料；将0.05mol/L的KH2PO4和0.05mol/L的K2HPO4·3H2O添加到微生物脱盐室阴极室作为缓冲液。当水力停留时间为6h时，最终脱盐室淡室的出水中氨氮和磷酸盐的浓度分别为39mg/L和2.5mg/L，对应的回收率分别为92.7％和99％，微生物脱盐池一天的产电量大约为4×10-6度。
本发明在磷酸铵镁结晶预处理阶段添加的镁离子浓度以尿液中的磷酸根为基准，在预处理过程基本能够将尿液中的磷酸根除尽，而氨氮的去除率较低；在微生物脱盐池中所述人粪作为微生物脱盐池的燃料，利用阳极上的产电微生物氧化人粪中的有机物产生电能，在阴极电极和阳极电极之间形成电场，来推动脱盐室中磷酸根离子和氨氮的脱除。本发明提供的方法仅需添加少量的镁离子即可完成对人类尿液中氨氮和磷酸盐的处理。根据实验结果可知，本发明提供的方法对尿液中氨氮的去除率最高可达94.4％，对磷酸盐的去除率最高可达99％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同步处理人粪尿的方法，包括如下步骤：
对人尿液进行磷酸铵镁结晶预处理，得到结晶预处理液；
将所述结晶预处理液和人粪经微生物脱盐池进行脱氮、除磷处理；
所述磷酸铵镁结晶预处理过程中的镁离子和尿液中磷酸根离子的物质的量之比为(0.9～2):1。
2.根据权利要求1所述的同步处理人粪尿的方法，其特征在于，所述微生物脱盐池包含阳极系统、阴极系统、外电路系统和处于阳极系统与阴极系统之间的脱盐系统；
所述阳极系统设置有人粪液和阳极电极；
所述阴极系统设置有磷酸盐缓冲液和阴极电极；
所述脱盐系统进水为所述结晶预处理液。
3.根据权利要求2所述的同步处理人粪尿的方法，其特征在于，所述脱盐系统和阳极系统由阴离子交换膜分隔；
所述脱盐系统和阴极系统由阳离子交换膜分隔；
阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列将脱盐系统分隔成至少一个处理室。
4.根据权利要求2所述的同步处理人粪尿的方法，其特征在于，所述人粪液中人粪和水的体积比为(0.8～1.5):1。
5.根据权利要求2所述的同步处理人粪尿的方法，其特征在于，所述磷酸盐缓冲液由KH2PO4和K2HPO4·3H2O组成。
6.根据权利要求5所述的同步处理人粪尿的方法，其特征在于，所述KH2PO4在磷酸盐缓冲液中的浓度为0.05～0.1mol/L；
所述K2HPO4·3H2O在磷酸盐缓冲液中的浓度为0.01～0.1mol/L。
7.根据权利要求5所述的同步处理人粪尿的方法，其特征在于，所述阴极电极为镀铂量为0.1～1mg/cm2的镀铂碳纸。
8.根据权利要求2～7任意一项所述的同步处理人粪尿的方法，其特征在于，所述阳极系统、阴极系统和脱盐系统的容积之比为2:2:(1～3)。
9.一种微生物脱盐池，包括壳体、外电路以及设置在所述壳体内的阳极室、阴极室和脱盐室，所述脱盐室位于阳极室和阴极室中间；
所述脱盐室和阳极室由阴离子交换膜分隔；
所述脱盐室和阴极室由阳离子交换膜分隔；
所述阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列将脱盐室分隔成至少一个处理室；
所述阳极室中包含阳极电极；
所述阴极室中包含阴极电极；
所述阳极电极和阴极电极通过外电路连接。
10.根据权利要求9所述的微生物脱盐池，其特征在于，所述外电路中串联了至少一个电阻。
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